局部应变对低维半导体材料的性质调制

摘要

近年来，低维材料因其独特的物理化学性质而得到了普遍的关注和深入的研究，在实验中已被广泛地用于制作接近原子尺寸的器件。理论指导使得传统的量子器件持续小型化。加上异质界面或局域形变无处不在缘故，低维材料的局部应变（如表面应变）具有普遍性。到目前为止，关于低维材料的局部应变的细节尚有许多不清楚之处，在本工作中，我们用第一性原理的计算方法，研究包含应变的一维Si/Ge纳米线和二维层状（单层和双层）T态TaS2的结构及相关电学性质。我们分别用“循环替代”引起表面局域形变的方法和改变晶格常数的方法向两体系模拟施加应变。当在<112>方向Si纳米线(111)表面施加应变时，发现只有在很大的压缩形变之下才会出现带隙减小的结果，而拉伸应变则一直会使带隙减小，并且出现明显的间接向直接带隙的转换。并且在应力之下出现了价带和导带的空间分离，压力使得价带顶局域在压缩表面上;而拉伸力则引起导带底局域在拉伸形变表面上。对于Ge纳米线来说，发现当施加压缩应变时，带隙几乎没有发生改变，这意味着在Ge/Si核壳结构的材料中，Ge的电学性质几乎保持不变，为了验证该结论，我们做了Ge纳米线在应力应变下结构测试，发现键长和键角随应力是均匀变化的，即处于弹性形变中，保证了结果的合理性;应变与应变能呈二次函数关系，说明体系能量不受尺寸大小影响。另一方面拉伸应变则能够有效的使带隙减小，并致使价带顶和导带底在空间发生了分离。接着我们研究了二维的T态TaS2在应变下的性质变化，发现T态TaS2的电荷密度波被改变:它的单双层体系的电荷密度波在压缩应变之下减弱而在拉伸应变下增强。单层的TaS2是自旋轨道分裂的。但在大约3％的应变之下，其中一个自旋态能带的带隙减小到0eV，而另一个自旋态能带则保持有限的带隙，整体表现出了半金属的性质。我们进一步研究两个单层TaS2形成双层结构时的情况，得出了在费米面之上和之下均出现局域电子态，为无磁性的半导体的结果。同时其带隙在拉伸应变比在压缩应变下减小的更快，在拉伸应变下出现半导体向金属的转换。本研究为稳固或调整Si/Ge纳米线和片层TaS2的相关性质的方法探究提供了一个可行性的路线，为未来寻找和设计稳定且高效率的纳米器件提供了一个可能的有效方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与科学意义

1．2 纳米材料的研究现状

1．3 纳米材料的-陛能和特征

1．3．1 纳米材料的特殊效应

1．3．2 纳米材料特殊的特征表现

1．4 能带理论

1．4．1 布洛赫定理

1．4．2 赝势

1．4．3 能带和带隙及K点取样

1．4．4 晶体属性(导体、绝缘体、金属)

1．4．5 半导体电子论

1．6 电荷密度波(charge density wave-CDW)

1．7 研究的主要内容和研究意义

1．7．1 主要内容

1．7．2 意义

第二章 应变模型及计算方法

2．1 应变模型的建立以及对应的计算细节

2．2 计算方法

2．2．1 第一性原理计算

2．2．2 Hohenberg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．2．4 绝热近似

2．2．5 广义梯度近似

2．4 VASP计算软件包

第三章 结果与讨论

3．1 表面局部应力对Si纳米线能带结构的调制

3．2 Ge纳米线(111)表面的局部应力

3．3 各项同性应力对单双层1T-TaS2的CDW的影响

第四章 结论与展望

一、总结

二、展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文